《电子技术非电类第3版荣雅君电子课件第2章节半导体器件1新》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子技术非电类第3版荣雅君电子课件第2章节半导体器件1新（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子技术（非电类）,第2章 半导体器件,本章提要：半导体二极管和晶体管是常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。PN结是构成各种半导体器件的基础。因此，本章重点讨论以下几个问题： 1）半导体的导电特性； 2）PN结的形成及其导电特性； 3）半导体二极管的工作原理及其特性曲线、主要参数及应用； 4）特殊二极管； 5）晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。 作为了解的内容，介绍： 1）场效应晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数； 2）晶闸管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数及应用。 学习的重点是半导体器件的工作原理、特性曲线、
2、主要参数及其应用。,第二章 半导体器件,2.1 半导体二极管,物体按照物质的导电能力分类：,导 体：导电能力强,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间,绝缘体：不导电,2.1.1 半导体的导电特性,1.半导体的特点,（1）半导体的导电率可以因加入杂质而发生显著的变化。例如在室温 时，纯硅中掺入一亿分之一的杂质(称掺杂)，其导电率会增加几百倍。,（2）温度的变化，也会使半导体的电导率发生显著的变化，利用这种热敏效应人们制作出了热敏元件。但另一方面，热敏效应会使半导体元、器件的热稳定性下降。,（3） 光照不仅可以改变半导体的电导率，而且可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光电
3、晶体管、光电耦合器和光电池等。,2.1 半导体二极管,2.本征半导体 没有杂质、而且晶体结构完整的半导体，称为本征半导体（纯净半导体）。,共价键,价电子,硅原子,自由电子,空穴,复合,（1）硅和锗晶体的共价键结构,2.1 半导体二极管,在本征半导体中，两种载流子成对出现，成对消失，形成动态平衡。因此整个原子是电中性的。温度对载流子的影响很大，温度升高时，载流子的数量增加。,自由电子带负电荷，空穴带正电荷。,自由电子和空穴都是载运电流的粒子，统称为载流子。,半导体的导电特点：当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动所形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子(注
4、意，不是自由电子）递补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,（2） 半导体中的两种载流子自由电子和空穴,2.1 半导体二极管,3. 杂质半导体 在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的半导体称作杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同。可分为两种：,N型半导体：参杂五价元素,P型半导体：参杂三价元素,2.1 半导体二极管,（1）N型半导体 在本征半导体中掺入少量的五价磷元素，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。,多
5、余电子,五价磷,本征激发,电子空穴对,自由电子数多于空穴数,2.1 半导体二极管,（2）P型半导体 在本征半导体中掺入少量三价元素，可以形成P型半导体，常用于掺杂的三价元素有硼、铝和铟。,空穴,三价硼,本征激发,电子空穴对,空穴数多于自由电子数,2.1 半导体二极管,在N型半导体中，自由电子数大于空穴数， 自由电子-多数载流子(多子)。 空穴-少数载流子(少子)。 在P型半导体中，空穴数大于自由电子数， 空穴-多子。 自由电子-少子。 不论N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,2.1 半导体二极管,2.1.2 P N结 1. PN结的形成,内建电场,
6、多子扩散,少子漂移,(1)内建电场对多数载流子的扩散运动起到阻碍作用； (2)内建电场可推动少数载流子越过空间电荷区向对方漂移。,2.1 半导体二极管,2PN结单向导电特性 (1)外加反向电压,外加电场,内电场,I0,少子漂移,2.1 半导体二极管,(2) 外加正向电压,外加电场,内电场,I,多子扩散,PN结的单向导电性,2.1 半导体二极管,结论：,利用PN结的单向导电性，可以制成半导体二极管及各种半导体元件,(1)PN结正偏：,PN结导通,空间电荷区变窄,电阻,有利于多子扩散,电流,(2)PN结反偏：,PN结截止,电阻,有利于少子漂移,电流,空间电荷区变宽,（2） 半导体中的两种载流子自由
7、电子和空穴,2.1 半导体二极管,2.1.3 半导体二极管 二极管通常有点接触型和面接触型两种,阳极A,阴极K,V,点接触型,面接触型,2.1 半导体二极管,二极管的管压降与其电流的关系 曲线，称为二极管的伏安特性曲线,2.1 半导体二极管,1二极管的伏安特性,硅管,锗管,2.1 半导体二极管,a点,Uon,b点,I=ISRexp(U/UT)-1,c点,线性区,d点,反向击穿区,二极管管压降,UBR,死区电压 硅管约0.5V锗管约0.1V,非线性区,硅管为0.60.8V； 锗管为0.10.3V,截止区,反向击穿电压,反向饱和电流,2.1 半导体二极管,2二极管的使用,(1) 二极管的型号,国家
8、标准(GB24974)规定，国产半导体器件的型号由五部分组成,如普通硅二极管2CP10,2.1 半导体二极管,(2)二极管的主要参数 1) 最大整流电流 IFM 指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。当 电流超过允许值时，将由于PN结的过热，而使二极管损坏。 2) 反向电流IR 指在一定环境温度条件下，二极管承受反向工作电压、又 没有反向击穿时，其反向电流的值。它的值愈小，表明二极 管的单向导电特性愈好。温度对反向电流影响较大，经验值 是，温度每升高10，反向电流约增大一倍。使用时应加注 意。 3) 反向工作峰值电压URM 指管子运行时允许承受的最大反向电压。通常取反向击穿 电压的二
9、分之一至三分之二。,2.1 半导体二极管,(3)二极管的选择,无论是设计电路，还是修理电子设备，都会面临一个如何选择二极管的问题。根据上面的介绍，可以得到选择二极管必须注意的几点： 1)设计电路时，根据电路对二极管的要求查阅半导体器件手册，从而确定选用的二极管型号。确定选用管子型号时，选用的二极管极限参数IFM、URM应分别大于电路对二极管相应参数的要求。并应注意：要求导通电压低时选锗管，要求反向电流小时选硅管，要求反向击穿电压高时选硅管，要求工作频率高时选点接触型管，要求工作环境温度高时选硅管。 2)在修理电子设备时，如果发现二极管损坏，则用同一型号的管子来替换。如果找不到同一型号的管子而改
10、用其他型号二极管来替代时，则替代管子的极限参数IFM、URM应不低于原管，且替代管子的材料类型(硅管或锗管)一般应和原管相同。,2.1 半导体二极管,(4)二极管应用举例,1)理想二极管,由二极管的伏安特性曲线可见，由于二极管正向导通时电压变化很小，而反向截止时，电流很小。对于所分析的电路来说，将它们忽略时，产生的误差很小。故通常可用理想二极管的特性代替二极管的伏安特性。,近似特性,理想特性,UD,2.1 半导体二极管,近似特性：（当电源电压与二极管导通时正向电压降相差不多时） 二极管的电压小于导通正向电压时，二极管截止，电流为0； 二极管导通后，正向电压降恒为UD。 理想特性：（当电源电压远
11、大于正向电压降时） 加正向电压时，二极管导通，正向电压降和正向电阻为0，（二极管相当于短路） 加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，反向电阻无穷大。（二极管相当于开路）,2.1 半导体二极管,2) 应用举例,整流电路 利用半导体的单向导电性，可以将大小和方向都变化的正弦交流电变成单向脉动的直流电，称为整流，完成整流功能的电路称为整流电路。,图2-11所示为单相半波整流电路，假设二极管为理想模型，ui为正弦交流电。如图2-11(b)所示，当ui为正半周时，二极管导通，电流由上至下流过R，因为二极管采用理想模型，正向导通电压为0，所以在R上获得的电压波形和输入一致；当ui为负半周时，二极管反向截
12、止，表现为无穷大电阻，流过R中的电流为0。利用二极管的单向导电性，将交流电转化为单向脉动的直流电，这种方法简单、经济，在日常生活及电子电路中经常采用。根据这个原理，还可以构成整流效果更好的单相全波、单相桥式等整流电路(具体内容将在第6章详细介绍)。,2.1 半导体二极管,图2-11 单相半波整流电路,2.1 半导体二极管,例2-1 单相全波整流电路如图2-12a所示。分析其工作原理，当 输入为图2-12b所示的正弦交流电压时，画出输出电压的波形。,图2-12 全波整流电路,2.1 半导体二极管,解 单相全波整流电路是由两个单相半波整流电路组成的，变压器的二次绕组的中心抽头把u2分成两个大小相等
13、方向相反的u21和u22。 工作原理：在正弦交流电源的正半周（a点正，b点负）， VDl正向导通，VD2反向截止，电流通路为：a VDl 负载电阻RL 变压器中心抽头o点，负载上得到半波整流电压和电流，方向如图2- 12b所示。 同理，在电源的负半周（b点正，a点负），VD2导通，VDl截止。电流通路为：b VD2 负载电阻RL 变压器中心抽头o点，负载RL上得到与前半个周期方向相同的半波电压和电流，如图2-12b所示。 这样，在负载电阻RL上得到如图2-12b所示的全波整流电压波形。,经过多个周期的充电，即可使C2两端的电压等于 。,2.1 半导体二极管,例2-2 如图所示电路为二倍压整流电
14、路，由电源变压器和两个二极管、两个电容器组成，试分析其工作原理。,解 (1)在u2的正半周，二极管VDl导通，VD2截止，电流通过二极管VDl给电容C1充上了右正左负的电压UC1，UC1基本接近u2的峰值电压，即,(2)在u2的负半周，二极管VD2导通，VDl截止。由于此时u2与UC1方向相同，所以它们串联起来给C2充上了右正左负的电压UC2，使C2两端的电压近似等于 。,通过分析可以看出，在二倍压整流电路中，每个二极管所承受的最大反向电压均为 ，在负载RL两端即可得,2.1 半导体二极管,0,t,0,t,E,E,t1,t2,时,二极管截止,（0t1与t2以后）,时,二极管导通,（t1t2）,
15、限幅电路 在电子电路中，为了降低信号的幅度以满足电路工作的需要，或为了保护某些器件不受大的信号电压作用而损坏，往往利用二极管来限制信号的幅度，称为限幅。,例2-3 在如图所示电路中，二极管为理想二极管。设输入电压为 ， 。试画出输出电压uo的波形。,例1-2 图中的R和C构成一微分电路。 当输入电压ui如图中所示时，试画出输 出电压uo的波形。设uC(0)=0。,2.1 半导体二极管,检波电路 检波电路的构成和工作原理与整流电路相似（整流电路也可作为检波电路），即可提取输入信号中的某一部分，如单相半波直流电路，提取了波形中为正的部分。,在这里，二极管起检波作用，除去正尖脉冲。,2.1 半导体二
16、极管,开关电路 在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用，因为二极管具有单向导电性，可将二极管处于导通状态看成是开关闭合，二极管处于截止状态看成是开关断开，这在数字电路中得到广泛应用。,2.1 半导体二极管,2.1.4 特殊二极管 1. 稳压二极管,2.1 半导体二极管,稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。,IZmin,IZmax,图2-17 稳压管的伏安特性曲线,2.1 半导体二极管,稳压管的主要参数有下面几个： 稳定电压 稳定电压是指稳压管在正常工作下管子两端的 电压。一般325V，高的可达200V。由于工艺方面和其他原 因，即使是同一型号的稳压管，稳压值也有一定的分散性。 使用时应注意。 （2）电压温度系数 说明稳压管受温度变化影响的参数。例如电
